Kernporen in ihrer natürlichen Umgebung

MPIB Wissenschaftler haben dabei geholfen die 3D Struktur der Kernpore von Zellen der Bäckerhefe zu entschlüsseln.

2. September 2020

Forschungsgruppenleiter Boris Pfander und sein Team am Max-Planck-Institut für Biochemie haben gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt am Main und vom EMBL in Heidelberg die 3D-Struktur von Kernporen der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) untersucht. Ihre Ergebnisse, die in Nature veröffentlicht wurden, zeigen die Architektur des Kernporenkomplexes in intakten Zellen. Die neuen Erkenntnisse erweitern das Verständnis für entscheidende Lebensprozesse.

Kryotomographischer Schnitt einer S. cerevisiae-Zelle, der das Protein Nup116 fehlt, das 4 Stunden lang bei der nicht-permissiven Temperatur von 37°C gehalten wurde. Gestrichelte Rechtecke markieren die Positionen, die einer Strukturanalyse unterzogen wurden; rechts Kryo-EM-Karten (grau) mit eingepassten entsprechenden integrativen Modellen (farbig).

Kernporen sind hochkomplexe Proteinstrukturen. Hunderte von ihnen sind in die Doppelmembran eingebettet, die den Kern einer Zelle umgibt und schützt. Die Poren dienen als Tor, das den Ein- und Austritt von Molekülen reguliert. Eine wichtige Funktion der Kernporen besteht darin, den Export eines Moleküls namens Messenger-RNA (mRNA) aus dem Kern in die umgebende Zelle - das Zytoplasma - zu regulieren. Messenger-RNAs liefern Anweisungen für den Zusammenbau von Proteinen.

Entschlüsselung der Architektur
Die Forscher verstehen jetzt besser, wie die Kernpore in ihrer natürlichen Umgebung funktioniert, wie sie gepflegt und recycelt wird. Die Studie liefert eine detaillierte Strukturbeschreibung der drei Proteinringe, aus denen die Kernpore besteht, welche als zytoplasmatischer, Kern- und innerer Ring bekannt sind. Um zu zeigen, wie diese Ringe in Zellen angeordnet sind, benutzten die Forscher eine Kombination aus Zellbiologie, Computermodellierung und der sogenannten In-cell-Kryo-Elektronentomographie: ein bildgebendes Verfahren, mit dem hochauflösende 3D-Ansichten der molekularen Landschaft im Inneren einer Zelle erstellt werden können. Dies führt zu grundlegenden neuen Erkenntnissen. Die Forscher fanden heraus, dass die 3D-Konfiguration des zytoplasmatischen Rings den Weg des mRNA-Exports ermöglicht.

Den Lebenszyklus verstehen
Die Struktur des zytoplasmatischen Rings erfüllt noch eine weitere Funktion - er setzt einen bestimmten Teil des Kernporenproteins dem Zytoplasma aus. Diese Domäne interagiert mit Proteinen, die den Prozess erleichtern, bei dem Kernporen von der Zelle abgebaut und durch neue ersetzt werden. Das ist ein Prozess, der als autophager Turnover bezeichnet wird. Wie genau die Architektur der Kernporen den Abbauprozess - die Autophagie - und den Zusammenbau der Kernporen erleichtert, ist weitgehend unbekannt, aber diese Studie liefert wichtige erste Schritte zu einem besseren Verständnis dieser Mechanismen. Mit dem Wissen aus vielen verschiedenen Strukturen sind die Wissenschaftler einen Schritt weiter, zu verstehen, wie sich Kernporen zusammensetzen und wie sich die Pore von den ersten Zellen mit einem Kern bis heute entwickelt hat.

Um den Zusammenbau der Kernporen besser zu verstehen, züchteten die Forscher einen Hefestamm, dem ein Protein namens Nukleoporin 116 fehlt, das beim Zusammenbau eine wichtige Rolle spielt. Der sich daraus ergebenden Struktur fehlten der zytoplasmatische Ring und ein Teil des inneren Rings. Die Wissenschaftler schlussfolgern, dass diese unvollständigen Strukturen Zwischenzustände des Kernporenzusammenbaus zeigen. Die Untersuchung dieses Prozesses ist wichtig, da Fehler beim Zusammenbau der Kernporen mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht wurden.

Die Studie liefert detaillierte Strukturen, die von der Wissenschaftlergemeinschaft genutzt werden können, z.B. zur Untersuchung der Kernporenfunktion, des Transports von Molekülen in den oder aus dem Kern oder des Eintritts von Viren in den Kern. Viele Viren, wie z.B. Influenza und HIV, müssen ihre genetische Information am Kernporenkomplex vorbeibekommen, um eine Zelle zu infizieren. "Das zeigt unseren Kolleginnen und Kollegen auch, dass wir die wissenschaftlichen Anstrengungen auf die Untersuchung der Struktur-Funktions-Beziehung von Makromolekülen direkt in der Zelle verlagern müssen", sagt Matteo Allegretti, Postdoc in der Beck-Gruppe und Erstautor der Studie. Grundlegende Prozesse des Lebens, wie Kerntransport und Autophagie, können durch die Kombination von Technologien wie Kryo-Elektronentomographie mit Strukturmodellierung, Lichtmikroskopie und Biochemie verstanden werden.

Original Publikation:
M. Allegretti, C.E. Zimmerli, V. Rantos, F. Wilfling, P. Ronchi, H.K.H. Fung, C. Lee, W. Hagen, B. Turoňová, K. Karius, M. Börmel, X. Zhang, C. W. Müller, Y. Schwab, J. Mahamid, B. Pfander, J. Kosinski, M. Beck:
'In-cell architecture of the nuclear pore and snapshots of its turnover', Nature, September 2020
DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2670-5

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